首页 > 行业资讯 > 阿德莱德大学王少彬团队Materials Today: 光热催化——从基础理论到实际应用

阿德莱德大学王少彬团队Materials Today: 光热催化——从基础理论到实际应用

时间：2023-07-23 来源：浏览：

阿德莱德大学王少彬团队Materials Today: 光热催化——从基础理论到实际应用

环境人Environmentor

环境人Environmentor

微信号 Environmentor2017

功能介绍分享环境领域内学术进展、热点资讯、招聘信息

收录于合集

第一作者：张金强

通讯作者：陈海军教授，孙红旗教授，王少彬教授

通讯单位：南京工业大学，埃迪斯科文大学，阿德莱德大学

论文DOI：10.1016/j.mattod.2023.06.017

全文速览

光热催化是一种结合光化学和热催化过程的创新技术，可以有效地利用全光谱太阳光催化各种化学反应，从而达到能量转换和环境治理的目标。与传统技术相比，该项技术已经被众多研究学者证明具有更好的性能和更高的能源转化效率，适合大规模应用。本文从光热催化的基本原理出发，对光热催化剂进行了有效的分类，并详细讨论了各种类型光热催化剂的设计原则，其重点包括：（1）增强太阳光吸收；（2）改善内部电场以获得更多高能热电子（EHC）和局部热能效应（LTE）；（3）通过界面工程以实现EHC的稳健和定向转移；以及（4）EHC和LTE的管理以实现7天24小时持续运转。与此同时，我们还罗列了光热催化在各种化学反应中的应用及其相关的反应机理。此外，我们介绍了合成良好性能的光热催化剂和先进的太阳能聚光器的最新技术，用于大规模生产太阳能燃料的试点测试。本文最后讨论了这一新兴领域未来的机遇和挑战，以期将传统化工生产过程赋予一种清洁和可持续的方式。

背景介绍

世界正在经历一场全球性的能源危机，新冠疫情的到来进一步加剧了人类对于能源的需求。传统化石燃料日益枯竭，且燃烧所带来的二氧化碳也对环境造成了前所未有的影响。太阳能燃料作为太阳能驱动的化学反应所产生的合成燃料，被认为是解决能源危机的最经济可行和最有效的解决方案。光催化技术的出现是可持续能源研究的一个重要里程碑，但其可吸收光范围小、目标产物的不确定性限制了其对于太阳能的有效利用。光热催化应运而生，其前所未有的光收集效率，优越的吞吐量和温和的反应条件，作为传统光催化和热催化的结合体系被广泛研究。该项技术将太阳能介导的光化学过程和太阳能光诱导的热催化整合成为一个单元，形成互补和协同效应。催化剂材料吸收光之后产生高能热电子（EHC），直接参与化学反应，未参加化学反应的EHC则通过其他方式转化为热量。因此，光热催化弥补了光催化和热催化的缺点，能够有效地提高反应的选择性，并且降低了反应所需要的能量。

本文亮点

1. 本工作详细介绍了光热催化的基本原理，包括高能热电子和局部热效应的产生，以及两者之间的相互作用关系。并从原理出发，探索了光热催化剂设计所需要考虑的关键因素，包括界面调控，增强内电场等。

2. 阐述了光热催化在不同类型化学反应中的应用，包括液固相反应（废水处理，水裂解产氢）、气固相反应（甲烷干重整，二氧化碳加氢）和固固相反应（塑料热解），以及光热催化在不同反应中的机理。

3. 对光热催化剂所面临的挑战进行总结，简要介绍了光热催化升级所需要的关键技术，为加速太阳能燃料的大规模生产，促进可持续和高效的化学转化提供了独特的见解。

图文解析

光热催化的基本原理主要分为三部分，包括高能热电子（EHC）激发（图1a-c），EHC注入反应物HOMO/LUMO的限制（图1e-f），以及EHC热化（图1g-i）。

图1 光热催化的基本原理

根据热能对于催化过程的贡献程度，本文将光热催化分为三类。分别是热主导的光热催化（TPT）（图2a）、载流子与热共同耦合主导的光热催化（CTC）（图2b）和热载流子主导的光热催化（CPT）（图2c）。不同类型的光热催化具有不同的机理，理解之间的差异能够帮助我们更好的设计性能优良的光热催化剂。

图2 光热催化的分类

光热催化活性已经在广泛的材料中被观察到，包括半导体、纳米金属、黑色材料及其杂化材料。为了更深入地理解上述分类的CPT、TPT和CTC过程，本文将光热催化剂描述为P _x B _1-x ，它由光催化剂和黑色材料组成(图3a)。当x接近1时，光热催化剂主要为光催化剂，常用于CPT工艺。当x接近于0时，光热催化剂为碳、无定形硼、过渡纳米金属及其杂化物等黑色材料。当0 < x < 1时，光热催化剂为光催化剂和黑色材料的复合结构。在设计催化剂时必须考虑几个关键因素，包括光吸收能力、内建电场调控、催化位点设计以及高能热电子和热能储存和管理等，具体的设计原则如图3b所示。

图3 光热催化的分类和具体设计方案

光子吸收是提高光热催化效率的首要步骤。为了优化对全光谱阳光的吸收，对于P _x B _1-x 的不同组分可以考虑几种策略，包括半导体的能带调控（图4a）、纳米金属的几何控制（图4b）以及黑色材料的形态学工程（图4c）。

图4 扩大光吸收的策略

高效的EHC和LTE的生成是光热催化剂活性的核心要求，其中，光热催化剂的内建电场（IEF）起着至关重要的作用，在不同类型的光热催化剂中采用不同的IEF调控策略能够有效的促进EHC和LTE的产生。包括：半导体中串联电场构建促进电荷定向流动（图5a）、等离子体金属界面强化电荷的肖特基势垒（图5b）和双金属纳米颗粒（图5c）构建及其形貌工程（图5d）。

图5 内建电场对于EHC和LTE的增强

作为光热催化中另一个不可或缺的影响因素，如何进行有效的热管理同样是实现高催化活性和选择性的关键。根据不同的热量损失机制，各种隔热材料应运而生。包括：二氧化硅保温层（图6a）、分子筛咪唑酯骨架材料（图6b）、减少红外辐射的铜涂层（图6c）和用于储热的PEG/MXene新型材料（图6e）。

图6 各种类型的隔热材料

如何实现光热催化大规模应用是亟待解决的重大问题。近些年来，众多研究学者对其展开了试点研究，比如使用波导光反应器放在屋顶作为产能装置（图7a）、使用板型催化剂床或聚光器的太阳能燃料场（图7b-c）和光催化整体式反应器（图7d）。

图7 光热催化放大试点

总结与展望

该篇综述对光热催化进行了全面的介绍和明确的分类，系统地提出了光热催化的设计原则。通过实施各种改性策略，如扩大太阳光吸收，IEF调制增强EHC和LTE，以及界面工程对电荷流进行定向调控和EHC/LTE管理，可以开发出高效稳定的光热催化剂。本文还讨论了光热效应在不同类型化学反应中的应用，包括液固相反应、气固相反应和固固相反应。在有限的试点测试案例的基础上，简要介绍了光热催化升级的关键技术，如3D打印技术等。总的来说，该综述对光热催化的基础知识及相应关键元件提供了新的见解，为此应用技术的进步打下了坚实的基础，这可以加速太阳能燃料的大规模生产，促进可持续和高效的化学转化。

作者介绍

张金强 ，澳大利亚阿德莱德大学化学工程学院王少彬教授团队Research Fellow，目前研究重点为太阳能光/光热驱动能源制备和环境修复。近年来，在Angew. Chem. Int. Ed., Mater. Today, ACS Nano, ACS Catal., Appl. Catal. B., Nano Energy 等权威期刊发表学术论文60余篇，总引用次数＞2400次，h-index为27。担任SCI期刊“Polymers” (IF: 4.97) 和 “Crystals” (IF: 2.67) 特刊客座编辑，中国化学会“Chinese Chemical Letters”(影响因子：8.455)，德国Wiley旗下 “Exploration”及清华大学出版“Nano Research Energy”青年编委。

陈海军 ，南京工业大学教授、博士生导师，担任江苏省有机固废深度处置及制氢工程研究中心副主任，江苏省工程热物理学会常务理事；国家自然科学基金函评专家；中华环保联合会VOCs污染防治专业委员会专家，江苏省高新技术企业认定技术专家和江苏省中青年科技评审专家。主持国家自然科学基金2项（51676096和50806032），作为负责人主持2018年国家重点研发计划课题1项（2018YFB1502903），作为负责人之一主持国家科技支撑计划课题1项（2014BAJ01B06），入选省“六大人才高峰”（C类），主持企业委托项目2项、省部级项目3项；参与国家自然科学基金、国家“863”和省部级项目以及企业委托项目20余项。近年来，在Appl. Catal. B、ACS Nano、Nano Energy、EEM、Applied Energy、Energy、Energy Conversion and Management、International Journal of Heat and Mass Transfer 、Energy and Fuels、Applied Thermal Engineering和中国科学等权威期刊发表学术论文30余篇，主导申请发明专利近20件（授权10件）。指导获得江苏省优秀硕士学位论文1项，获得中国石油和化学工业联合会技术发明二等奖等省部级奖励4项。获得“工大集团”奖教金1项。主导参与将“多能互补供能系统”用于8.5万平米大型公建的空调、热水和电力联供。

孙红旗， 澳大利亚西澳大学分子科学学院终身教授，澳洲研究理事会基金评审专家组成员（ARC College of Expert），澳美氢能合作研究代表，RSC Adv.副主编。孙教授迄今在Advanced Materials, ACS Nano, Accounts of Chemical Research, Environmental Science & Technology, Water Research, Applied Catalysis B:Environmental, Chemical Engineering Journal, 和Nano Energy等权威期刊发表SCI论文300余篇，谷歌学术引用3万2千余次，h因子为99。连续4年入选全球高被引科学家，并于2020年被《澳大利亚人报》评为澳洲Top 40 Research Superstars。

王少彬 ，澳大利亚阿德莱德大学化学工程学院终身教授，澳大利亚研究理事会桂冠学者。主要从事新型纳米材料开发、环境催化、二氧化碳储存与转化以及太阳能利用等领域的研究。在Acc. Chem. Res., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Matter, Environ. Sci. Technol. Adv. Funct. Mater. 等国际期刊发表学术论文超过600篇，含ESI高被引文章90余篇，Google Scholar总引用80000余次，h-index为155。担任Applied Catalysis B: Environmental, Chemical Engineering Journal Advances副主编和Journal of Colloid and Interface Science联合编辑，也是科睿唯安（Clarivate Analytics）/汤姆森路透（Thomson Reuters）工程, 化学，环境与生态领域的2016-2022年的全球高被引科学家。

来源： 邃瞳科学云。投稿、合作、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领域 最大的学术公号 ，拥有 15W+活跃读者 。由于微信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为星标，或每次看完后点击页面下端的 “赏” ，这样可以第一时间收到我们每日的推文！环境人Environmentor现有综合群、期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群。